艦船集體防護系統(tǒng)體系及防護等級劃分

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(中國船舶重工集團公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

水面艦艇是海軍主要作戰(zhàn)力量之一，也是受核生化因素影響最嚴重的裝備之一。因為艦艇是一個獨立的戰(zhàn)斗集體，活動范圍廣，而艦上人員集中、密度大、活動范圍小，當遭受核化武器襲擊或核化污染時，無法迅速地撤離出沾染區(qū)。為保障海軍艦艇能夠在核生化沾染區(qū)連續(xù)執(zhí)行作戰(zhàn)任務，就必須對核生化防護系統(tǒng)展開更深層次的研究。

1 國外集體防護設備發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

從20世紀80年代起，美軍就已經(jīng)在水面艦艇上配備了集體防護系統(tǒng)(collective protection system, CPS)[1-2]。目前美國的水面艦艇上配備了全艦范圍多區(qū)域CPS，對現(xiàn)役未安裝CPS的艦艇進行補裝、加裝區(qū)域集體防護系統(tǒng)SACPS。DDG51級是美國海軍首次采用集體防護系統(tǒng)的艦艇，如DDG51級全艦防護區(qū)按船長分布設為4個，機艙區(qū)列為局部防護區(qū)，全艦防護區(qū)內(nèi)增壓范圍為490～610 Pa，外部空氣通過三級濾器進入艙內(nèi)，以消除外部空氣的污染。

而集防系統(tǒng)的防護效果好壞、持續(xù)防護時間長短等關鍵性能指標取決與CPS的過濾器的壽命和防護性能。目前在艦船CPS中使用的核心過濾器都是利用浸漬活性炭材料的吸附性能脫除化學毒劑，為集體防護艙室提供連續(xù)性的潔凈空氣。但是使用這種技術的濾器在維修和更換時存在壽命失效，后勤維護成本高等問題。

由此催生了集體防護設備目前的三個發(fā)展方向[3]：制氧除二氧化碳和有毒氣溶膠的膜分離技術；等離子體催化技術；可再生變壓/變溫吸附技術。而可再生變壓/變溫吸附技術最具發(fā)展前景，其技術的基礎是：利用分子篩和活性炭等材料的吸附性能，在高壓或低溫條件下吸附化學毒劑，吸附飽和后在低壓或高溫條件下脫除化學毒劑，兩支吸附塔交替進行吸附和脫附，從染毒空氣中分離出化學毒劑，為集體防護艙室提供連續(xù)性的潔凈空氣。

根據(jù)操作條件的不同，將吸附技術分為變壓吸附技術和變溫吸附技術。它們在化學工業(yè)氣體分離中屬于成熟技術，廣泛用于氣體干燥、空氣凈化、氣體提純和空分分離等領域。根據(jù)這一特性，英國Domnick Hunter公司和美國Pall公司分別研制開發(fā)了基于變壓吸附技術的可再生濾毒裝置，由Chemical and Biological Defense Agency，TNO Prins Maurits Lab和Battelle Memorial Institute等機構對它們進行了實毒測試，化學毒劑或模擬劑包括：DMMP、2-CEES、GD、HD、PS、AC、CK、異丁烯、全氟異丁烯、R134a、R23、辛烷和乙醇等。長達6個月的實毒測試表明這些裝置能夠連續(xù)運轉500 h，出口空氣中沒有檢測到化學毒劑。

可再生變壓吸附濾毒裝置需要較高的工作壓力(>0.3 MPa)，若為其單獨提供高壓空氣，勢必增加裝置體積、重量和功率，這限制了它的使用。為此，美軍提出了解決方案：將濾毒通風裝置集成到艦船的艙室環(huán)境控制系統(tǒng)中，共用空氣壓縮機、換熱器和過濾器等設備，達到大幅度降低裝置的功率、體積和重量的目的，使其可以在大型水面艦艇中應用。

2 艦船集體防護體系的構成

集防系統(tǒng)[4-6]由集體防護和個人防護兩部分組成。集體防護系統(tǒng)按防護機制不同又分為：隔離式防護和過濾式防護；個體防護包括呼吸器官防護、皮膚防護和防疫服。

1)隔離式防護。前蘇聯(lián)早期采用隔離式防護方案，將傳統(tǒng)水密性的門、窗和口蓋改造成氣密性的，利用艙室的空氣隔絕進行防護。由于建立隔絕防護時要關閉集防區(qū)的門、窗和口蓋，禁止通風和人員進出。但是，由于密閉艙室內(nèi)氧氣、二氧化碳和水蒸氣等濃度對艦員有很大影響，不宜長時間采用隔離式防護，因此，目前已很少采用隔離式防護。

2)過濾式防護。由于艦船在核生化條件下采用隔絕式防護有許多不確定性，所以，現(xiàn)代大型水面艦船必須采用過濾式防護。過濾式防護按照防護等級高低又可劃分為全防護區(qū)和有限防護區(qū)。

圖1為典型的過濾式防護區(qū)的體系構成，外界染毒空氣首先通過預濾芯(第一級)，除去染毒空氣中大顆粒及纖維狀沾染物后，進入高效顆粒濾芯(第二級)，濾除0.3 μm及其以上的放射性沾染物、毒煙、毒霧和生物戰(zhàn)劑后，再進入氣體吸附催化濾器(第三級)去除氣態(tài)化學戰(zhàn)劑。這樣，艙外受沾染的空氣經(jīng)三級過濾吸附后，變?yōu)榍鍧嵖諝饨?jīng)風機送入空調(diào)通風系統(tǒng)，再由送風管道分送至各密閉艙室。

圖1 典型集體防護系統(tǒng)防護區(qū)體系結構

為了保持艙室良好的防護效果，需要保證密閉艙內(nèi)造成的凈超壓值至少要與外界氣流形成的動態(tài)超壓值相等，在相對風速57 kn/h仍具有防護作用，超壓應維持在500 Pa。艙室內(nèi)的廢氣通過超壓閥門、廚房或衛(wèi)生間等處直接排出，大型艦船可由主機艙排出大部分廢氣，從而保證艙室內(nèi)空氣清潔，避免受外界染毒空氣的沾染。

全防護區(qū)的進出通道要設計得可以維持防護區(qū)正的壓力。鎖壓室和鎖氣室都是小的隔離室，有2個門，一個通向全防護區(qū)，另一個通向露天甲板或通向艦的非加壓區(qū)。某一時間只開啟或關閉一個門，避免全防護區(qū)內(nèi)正壓力的損失。鎖氣室還有吹氣式空氣清潔裝置(air sweep風浴)，用來先從鎖氣室內(nèi)吹除氣態(tài)和微粒污染物，之后才打開通向全防護區(qū)的門。

過濾式防護系統(tǒng)(參考圖1)由集體防護系統(tǒng)密閉區(qū)、濾毒通風裝置、密閉區(qū)超壓自動控制裝置、超壓泄放設備、密閉區(qū)報警裝置等設備組成，表1為核生化防護裝備的主要組成。

表1 核生化集體防護系統(tǒng)的主要設備組成

3)個人防護。個人防護是為避免艦員暴露在核生化戰(zhàn)劑濃度已達到有害或致命程度的環(huán)境中，應當穿用化學防護服和戴防護裝置。根據(jù)戰(zhàn)場作戰(zhàn)任務的防護要求，針對威脅或危害的性質及其嚴重程度，搭配合適的防護服和防護面具。

3 集防區(qū)防護等級劃分

集體防護系統(tǒng)提供兩級防護[7-9]：全防護和有限防護。

全防護區(qū)的防護等級要求較高，要保證對其可以過濾任何物理狀態(tài)的核生化污染物，并且保持(500±50)Pa超壓，阻止空氣中的污染物通過其它路徑進入。全防護區(qū)包括作戰(zhàn)指揮所、起降指揮所、駕駛控制室、電子海圖室、動力損管部位、核化監(jiān)測戰(zhàn)位、醫(yī)療處所、餐廳和住艙等。根據(jù)總體設計可分為若干個相互獨立的全防護分區(qū)，每個分區(qū)安裝一套濾毒通風裝置，集防區(qū)部分指標如下。

1)全防護區(qū)超壓范圍：(400～650)Pa；連續(xù)運行超壓：(500±50)Pa。

2)全防護區(qū)超壓報警：大于650 Pa過度超壓報警；小于100 Pa事故情況。

3)選擇防護區(qū)超壓范圍：(150～400)Pa；連續(xù)運行超壓：(350±50)Pa。

4)選擇防護區(qū)超壓報警：大于400 Pa過度超壓報警；小于120 Pa事故情況。

5)防護區(qū)超壓建立時間：(60～120)s。

6)濾毒通風裝置通風量：根據(jù)防護區(qū)容積設定，閉環(huán)控制誤差不大于設定通風量的5%。

有限防護區(qū)的防護等級要求較低。在有限防護區(qū)內(nèi)無法建立超壓環(huán)境。通常只能利用高效顆?？諝膺^濾器從進入有限防護區(qū)的空氣中清除放射性、化學和生物氣溶膠。但是其無法過濾化學戰(zhàn)劑蒸汽。這就需要根據(jù)核生化戰(zhàn)劑探測信息和報警狀態(tài)戴防護面具防御化學戰(zhàn)劑蒸汽，必要時應當穿著防護服。

有限防護區(qū)主要包括輪機艙室、機爐艙等。全防護區(qū)和有限防護區(qū)的作戰(zhàn)任務和功能不同，采用不同的防護等級；根據(jù)GJB11.3-1991、GJB4000-2000，防護區(qū)空氣成分控制指標參考常規(guī)潛艇指標，指標見表2。

表2 防護區(qū)空氣成分的控制指標

三級防護的艦艇，設計的典型防護范圍及防護區(qū)劃分見圖2。

對新造軍艦已經(jīng)規(guī)定了集體防護系統(tǒng)的3個防護等級(等級I、II、III)。

1)等級I。掩蔽區(qū)，全防護區(qū)的分區(qū)，對40%艦員的住艙、餐室、衛(wèi)生間和作戰(zhàn)防護區(qū)的設備提供防護，這種設計有時稱為安全港。

圖2 三級防護的艦艇典型設計的防護范圍及防護區(qū)的劃分

2)等級II。小作戰(zhàn)區(qū)，有限防護區(qū)，包括等級I的掩蔽區(qū)和一些關鍵的作戰(zhàn)功能，可以經(jīng)濟地綜合到艦艇的設計中，重點是突然襲擊的生存。

3)等級III。大作戰(zhàn)區(qū)，除了飛行甲板和凹形甲板作戰(zhàn)以外，包括等級I的掩蔽區(qū)、等級II小作戰(zhàn)區(qū)，有足以滿足作戰(zhàn)任務要求的全防護區(qū)域。

4 集防系統(tǒng)設備配置原則

1)探測與評估。探測的作用是判斷核生化戰(zhàn)劑襲擊是否已經(jīng)發(fā)生，而評估的目的則是對襲擊所造成危害的嚴重程度以及預計的危害持續(xù)時間進行評價。根據(jù)探測與評估結果制定具體的防御策略并準確控制相應防護設備，以及通過計算確定防護的時間。

2)全防護區(qū)設備配置原則

(1)根據(jù)密閉區(qū)大小和容納人員數(shù)量確定濾毒通風裝置的裝配數(shù)量，對重要艙室進行CO2、O2及氟利昂濃度監(jiān)測。另外，在濾毒通風裝置進風圍井入口應設計溫度監(jiān)測傳感器，量程：(-40～400)℃，此點溫度控制與濾毒通風裝置連鎖。

(2)在全防護區(qū)內(nèi)配置壓力控制閥[10]，用來防止全防護區(qū)的過度超壓。根據(jù)防護區(qū)大小，安裝相應數(shù)量的壓力控制閥。當防護區(qū)的壓力升至(500±50)Pa之前，壓力控制閥均是關閉的。當防護區(qū)內(nèi)的壓力繼續(xù)增加時，它們會打開，直至全打開為止。當壓力開始下降時，壓力控制閥就開始關閉。

(3)集防區(qū)內(nèi)密閉區(qū)都要配置密閉門、密閉艙口蓋、手動和自動泄壓閥、穿過防護區(qū)的通艙電纜密封設施等防護區(qū)正壓保持設備；設計超壓控制箱，對全防護區(qū)的艙室壓力進行監(jiān)控、以及對流量泄放閥開關進行控制。

(4)為確定密閉艙室內(nèi)超壓值保持穩(wěn)定，應在防護區(qū)內(nèi)配置一定數(shù)量的差壓表來指示超壓值。由于風向風速的差別，在同一防護區(qū)內(nèi)的不同差壓表讀數(shù)會有很大的變化。因此，防護區(qū)內(nèi)的差壓表在高壓進氣口處應設計緩沖器。

3)有限防護區(qū)設備配置。有限防護區(qū)只能提供較低程度的有限防護[11]。在有限防護區(qū)內(nèi)只配置濾塵器等設備，只能對大顆粒污染物進行過濾，無法消除毒劑云團等化學戰(zhàn)劑。因此，在有限防護區(qū)內(nèi)一定要安裝核生化戰(zhàn)劑探測器，一旦探測到有核生化沾染就要合理的穿戴防護面具、防護服等。

4)防護區(qū)邊界確定。為防止煙霧和火焰通過通風管道傳遍全艦，艦上的通風系統(tǒng)只能用于一個火災防護區(qū)。因為通風系統(tǒng)為火災和煙霧提供了從一個密閉區(qū)擴散到另一個密閉區(qū)的途徑，而核生化污染物也能通過這些通風管道傳播。因此使用防火區(qū)的艙壁作為防護區(qū)的邊界是選擇全防護區(qū)位置的主要考慮。

因此，防護區(qū)的邊界設計應盡量與防火區(qū)邊界設計相一致。

5)防護區(qū)污染控制。對污染控制技術的正確應用可以有效防止艦員暴露在核生化危險之中，限制有害環(huán)境對于作戰(zhàn)能力的影響，并能減少對一次性使用的化生防護器材的需要用量，污染控制包括如下幾項。

(1)預防或者減少沉積在艦艇上的核生化污染的數(shù)量措施。

(2)限制艦員暴露在已查明或懷疑遭受污染的艇上區(qū)域的方法。

(3)盡可能減少污染向干凈區(qū)域傳播的方法。

(4)清除或降低艦艇表面、設備、艦員以及服裝上的污染強度的方法。

6)防護區(qū)通風系統(tǒng)風道設計。防護區(qū)通風系統(tǒng)風道設計應有回風凈化路徑?；仫L凈化路徑主要提供防護區(qū)內(nèi)通風系統(tǒng)循環(huán)，對防護區(qū)內(nèi)空氣循環(huán)凈化。另外，在防護區(qū)通風系統(tǒng)流程上設計輔助路徑，在防護區(qū)發(fā)生火災時，利用防護區(qū)回風凈化路徑由控制單元轉換為防護區(qū)排煙路徑(避開碳濾器和高效顆粒濾器)，風機采用專用或共享濾器風機，如果采用共享風機，系統(tǒng)設計時共享風機必須設計正轉或反轉控制。

7)全防護區(qū)排水彎管的設計。在壓力區(qū)內(nèi)的排水彎管都是4 ft的彎管，排水彎管設置在壓力區(qū)以外。全防護區(qū)內(nèi)的正壓力與大氣壓有差別，必須使用這種較大尺寸的彎管。而標準尺寸彎管中的水會被迫壓出來，會致使空氣從壓力區(qū)通過污水管泄漏出去減小防護區(qū)內(nèi)的正壓力。當防護區(qū)不加壓時，污水管的氣體會漏入裝有排水管的艙室。若4 ft彎管失去了水封，全防護超壓就無法建立。

5 結束語

構建大型水面艦船集體防護體系是一個復雜、綜合的系統(tǒng)，需要艦船設計、建造、監(jiān)制和防化等多個部門相互配合，通力合作，才能建立一個完善、有效的集體防護體系，以滿足大型水面艦船參與核生化條件下作戰(zhàn)的需要。

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